Astronomia

O Telescópio Espacial James Webb poderia detectar biossinais em exoplanetas?

O Telescópio Espacial James Webb poderia detectar biossinais em exoplanetas?



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O Telescópio Espacial James Webb (JWST), com lançamento previsto para 2018, nos trará uma visão melhor dos exoplanetas, mas será suficiente para detectar sinais de vida em pelo menos alguns desses mundos?

Uma boa resposta fornecerá uma estimativa das capacidades do Telescópio Espacial James Webb para detectar dados atmosféricos relevantes para a presença de vida.

A resposta preferida também incluiria uma análise do que seria necessário dizer com um nível decente de confiança que a vida estava presente em um exoplaneta e se o JWST será ou não capaz disso.


Pelo que entendi, James Webb, se usado em conjunto com uma starshade de sucesso (em desenvolvimento no MIT), deve ser capaz de detectar planetas próximos orbitando estrelas próximas. No entanto, obter bons espectros atmosféricos desses planetas diretamente (da emissão IV do corpo negro do planeta) é improvável. O que devemos esperar é que o TESS, que deve estar subindo em 2017, encontre algumas estrelas próximas com planetas em trânsito. Então, James Webb será capaz de procurar linhas de absorção atmosférica da luz estelar que passa pela atmosfera de um planeta durante o trânsito. Este método ainda pode ser limitado a planetas grandes (do tamanho de Júpiter). Em uma situação ideal (digamos, olhando para as linhas de absorção de uma super-terra), existem muitas "bioassinaturas", mas uma das mais fáceis de detectar seria uma linha de ozônio no infravermelho. Por si só, isso não seria prova, embora fosse necessário haver uma fonte de reposição constante de O2 na atmosfera para manter o O3. Se o metano também pudesse ser encontrado, poderíamos, com razão, ficar MUITO animados, já que metano e oxigênio não coexistem muito bem.


O próximo telescópio espacial da NASA pode revelar detalhes sobre os planetas TRAPPIST-1, mas há um problema

O Telescópio espacial James Webb (Webb) poderia reunir informações críticas sobre a atmosfera dos planetas no Sistema planetário TRAPPIST-1, mas o maior obstáculo pode ser as nuvens, descobriu um novo estudo.

A busca por vida e mundos que teoricamente poderiam sustentar a vida como a conhecemos aqui na Terra depende da capacidade dos humanos de explorar e estudar cantos do cosmos longe de casa. Webb, que está previsto para ser lançado em 2021, tem quatro objetivos principais: detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias que se formaram no universo, estudar sistemas planetários, examinar a formação de estrelas e sistemas planetários e investigar as origens da vida. Os cientistas esperavam que, ao perseguir esses objetivos, o telescópio também pudesse avançar na busca por vida.

Os cientistas estão particularmente interessados ​​no sistema TRAPPIST-1 porque, embora simulações em estudos anteriores mostraram que a maioria dos mundos neste sistema são provavelmente inabitáveis, one & mdash TRAPPIST-1e & mdash poderia hospedar água líquida e ser capaz de sustentar a vida como a conhecemos.

Os pesquisadores neste novo estudo executaram simulações usando o sistema TRAPPIST-1 & mdash um sistema planetário a 39 anos-luz de distância que contém sete exoplanetas confirmados orbitando uma estrela ultrafria & mdash como um campo de teste para as capacidades potenciais do telescópio. Eles encontraram que, teoricamente, Webb poderia detectar as atmosferas de todos os sete mundos do sistema em menos de 10 trânsitos, ou passagens na frente de sua estrela hospedeira.

A equipe, liderada por Jacob Lustig-Yaeger, um estudante de doutorado em astronomia na Universidade de Washington, descobriu que o telescópio poderia fazer isso usando uma ferramenta de bordo chamada Espectrógrafo de Infravermelho Próximo.

Os astrônomos detectam e estudam exoplanetas como os do TRAPPIST-1 observando quando eles transitam por sua estrela. Ao estudar a luz que passa pela atmosfera de um planeta enquanto o planeta transita por sua estrela, os cientistas podem detectar variações na cor e no comprimento de onda que surgem quando a luz passa por diferentes gases na atmosfera do planeta.

"Como cada gás tem uma 'impressão digital espectral' única, podemos identificá-los e começar a juntar as peças da composição da atmosfera do exoplaneta", Lustig-Yaeger disse em um comunicado.

Os cientistas estão particularmente interessados ​​no sistema TRAPPIST-1 porque, embora simulações em estudos anteriores mostraram que a maioria dos mundos neste sistema são provavelmente inabitáveis, one & mdash TRAPPIST-1e & mdash poderia hospedar água líquida e ser capaz de sustentar a vida como a conhecemos.

No entanto, a equipe descobriu que, embora Webb pudesse detectar e estudar as atmosferas de todos os planetas no TRAPPIST-1 no primeiro ano de operação do telescópio, ele seria muito impedido pelas nuvens. "Descobrimos que a espectroscopia de transmissão com o Prisma do Espectrógrafo de Infravermelho Próximo é ideal para detectar atmosferas contendo CO2 terrestre, potencialmente em menos de 10 trânsitos para todos os sete planetas TRAPPIST-1, se eles não tiverem aerossóis de alta altitude" ou nuvens, o resumo do estudo estados.

Embora Webb pudesse levar menos de 10 trânsitos para detectar uma atmosfera em um mundo sem nuvens no sistema, o telescópio levaria mais de 30 trânsitos para encontrar um planeta envolto por nuvens espessas, de acordo com o comunicado. Mas embora as nuvens (que podem ou não existir nos mundos TRAPPIST-1) possam representar um desafio, elas não são um obstáculo completo.

"Mesmo no caso de nuvens realistas de grande altitude, o telescópio James Webb ainda será capaz de detectar a presença de atmosferas & mdash que antes de nosso trabalho não eram conhecidas", disse Lustig-Yaeger no mesmo comunicado.

Os cientistas ainda não confirmaram qual, se houver, dos planetas em TRAPPIST-1 têm atmosferas. Webb pôde verificar a presença de quaisquer atmosferas e até mesmo analisar suas composições.

"Há uma grande questão no campo agora: se esses planetas têm atmosferas, especialmente os planetas mais internos", disse Lustig-Yaeger. "Assim que tivermos confirmado que existem atmosferas, o que podemos aprender sobre a atmosfera de cada planeta e quais as moléculas que a compõem?"


Novo método de encontrar atmosferas em exoplanetas rochosos com o telescópio espacial Webb

A impressão deste artista mostra um exoplaneta rochoso com uma atmosfera nebulosa e nebulosa orbitando uma estrela anã vermelha. Os astrônomos identificaram um novo método que poderia permitir que Webb detectasse a atmosfera de um exoplaneta em apenas algumas horas de observação. Crédito: L. Hustak e J. Olmsted (STScI)

Quando o telescópio espacial James Webb da NASA for lançado em 2021, uma de suas contribuições mais esperadas para a astronomia será o estudo de exoplanetas - planetas orbitando estrelas distantes. Entre as questões mais urgentes na ciência dos exoplanetas está: Um pequeno exoplaneta rochoso orbitando perto de uma estrela anã vermelha pode manter a atmosfera?

Em uma série de quatro artigos no Astrophysical Journal, uma equipe de astrônomos propõe um novo método de uso de Webb para determinar se um exoplaneta rochoso tem uma atmosfera. A técnica, que envolve medir a temperatura do planeta conforme ele passa por trás de sua estrela e depois volta à vista, é significativamente mais rápida do que os métodos mais tradicionais de detecção atmosférica, como espectroscopia de transmissão.

"Descobrimos que Webb poderia facilmente inferir a presença ou ausência de uma atmosfera em torno de uma dúzia de exoplanetas rochosos conhecidos com menos de 10 horas de tempo de observação por planeta", disse Jacob Bean, da Universidade de Chicago, co-autor de três dos papéis.

Os astrônomos estão particularmente interessados ​​em exoplanetas orbitando estrelas anãs vermelhas por uma série de razões. Essas estrelas, que são menores e mais frias que o Sol, são o tipo mais comum de estrela em nossa galáxia. Além disso, como uma anã vermelha é pequena, um planeta que passa na frente dela parece bloquear uma fração maior da luz da estrela & # 8217s do que se a estrela fosse maior, como o nosso sol. Isso torna o planeta orbitando uma anã vermelha mais fácil de detectar por meio desta técnica de & # 8220transito & # 8221.

As anãs vermelhas também produzem muito menos calor do que o nosso Sol, portanto, para desfrutar de temperaturas habitáveis, um planeta precisaria orbitar bem perto de uma estrela anã vermelha. Na verdade, para estar na zona habitável - a área ao redor da estrela onde poderia existir água líquida na superfície de um planeta & # 8217 - o planeta tem que orbitar muito mais perto da estrela do que Mercúrio está do sol. Como resultado, ele transitará pela estrela com mais frequência, tornando mais fáceis as observações repetidas.

Mas um planeta orbitando tão perto de uma anã vermelha está sujeito a condições adversas. As anãs vermelhas jovens são muito ativas, lançando explosões enormes e erupções de plasma. A estrela também emite um forte vento de partículas carregadas. Todos esses efeitos podem potencialmente limpar a atmosfera de um planeta, deixando para trás uma rocha nua.

“A perda atmosférica é a ameaça existencial número um para a habitabilidade dos planetas”, disse Bean.

Outra característica fundamental dos exoplanetas orbitando perto das anãs vermelhas é central para a nova técnica: eles devem ser travados por maré, o que significa que têm um lado diurno e um lado noturno permanentes. Como resultado, vemos diferentes fases do planeta em diferentes pontos de sua órbita. Quando ele cruza a face da estrela, vemos apenas o lado noturno do planeta. Mas quando está prestes a cruzar atrás da estrela (um evento conhecido como eclipse secundário), ou está apenas emergindo de trás da estrela, podemos observar o lado diurno.

Se um exoplaneta rochoso não tivesse atmosfera, seu lado diurno seria muito quente, assim como vemos com a Lua ou Mercúrio. No entanto, se um exoplaneta rochoso tiver uma atmosfera, espera-se que a presença dessa atmosfera baixe a temperatura diurna que Webb medirá. Ele poderia fazer isso de duas maneiras. Uma atmosfera densa pode transportar calor do lado diurno para o noturno através dos ventos. Uma atmosfera mais fina ainda pode hospedar nuvens, que refletem uma parte da luz estelar que chega, diminuindo assim a temperatura do lado diurno do planeta.

“Sempre que você adiciona uma atmosfera, você vai baixar a temperatura do lado diurno. Portanto, se virmos algo mais legal do que rocha nua, inferiríamos que é provavelmente um sinal de atmosfera ”, explicou Daniel Koll, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), o autor principal de dois dos artigos.

Webb é ideal para fazer essas medições porque tem um espelho muito maior do que outros telescópios, como NASA & # 8217s Hubble ou Spitzer telescópios espaciais, o que permite coletar mais luz e pode direcionar os comprimentos de onda infravermelhos apropriados.

Os cálculos da equipe mostram que Webb deve ser capaz de detectar a assinatura de calor da atmosfera de um planeta & # 8217s em um ou dois eclipses secundários - apenas algumas horas de observação. Em contraste, a detecção de uma atmosfera por meio de observações espectroscópicas normalmente exigiria oito ou mais trânsitos para esses mesmos planetas.

A espectroscopia de transmissão, que estuda a luz das estrelas filtrada pela atmosfera do planeta, também sofre interferência devido a nuvens ou neblinas, que podem mascarar as assinaturas moleculares da atmosfera. Nesse caso, o gráfico espectral, em vez de mostrar linhas de absorção pronunciadas devido às moléculas, seria essencialmente plano.

“Na espectroscopia de transmissão, se você obtiver uma linha reta, isso não diz nada. A linha plana pode significar que o universo está cheio de planetas mortos que não têm uma atmosfera, ou que o universo está cheio de planetas que têm toda uma gama de atmosferas diversas e interessantes, mas todos eles parecem iguais para nós porque eles ' está nublado ”, disse Eliza Kempton, da Universidade de Maryland, co-autora de três dos artigos.

“Atmosferas de exoplanetas sem nuvens e neblinas são como unicórnios - nós apenas não os vimos ainda, e eles podem nem existir”, acrescentou ela.

A equipe enfatizou que uma temperatura diurna mais fria do que o esperado seria uma pista importante, mas não confirmaria absolutamente a existência de uma atmosfera. Qualquer dúvida remanescente sobre a presença de uma atmosfera pode ser descartada com estudos de acompanhamento usando outros métodos, como espectroscopia de transmissão.

A verdadeira força da nova técnica será determinar que fração de exoplanetas rochosos provavelmente têm uma atmosfera. Aproximadamente uma dúzia de exoplanetas que são bons candidatos para este método foram detectados durante o ano passado. Mais provavelmente serão encontrados quando Webb estiver operacional.

“O Transiting Exoplanet Survey Satellite, ou TESS, está encontrando pilhas desses planetas”, afirmou Kempton.

O método do eclipse secundário tem uma limitação importante: ele funciona melhor em planetas que são muito quentes para serem localizados na zona habitável. No entanto, determinar se esses planetas quentes hospedam ou não atmosferas tem implicações importantes para os planetas de zonas habitáveis.

“Se os planetas quentes podem manter uma atmosfera, os mais frios também devem conseguir”, disse Koll.

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. Webb resolverá mistérios em nosso sistema solar, olhará para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigará as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um projeto internacional liderado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.


A vida pode sobreviver à morte de uma estrela? O telescópio Webb pode revelar a resposta

Um planeta orbitando uma pequena estrela produz fortes sinais atmosféricos quando passa na frente, ou 'transita', de sua estrela hospedeira, conforme ilustrado acima. As anãs brancas oferecem aos astrônomos uma rara oportunidade de caracterizar planetas rochosos. Crédito: Instituto Carl Sagan

Quando estrelas como o nosso sol morrem, tudo o que resta é um núcleo exposto - uma anã branca. Um planeta orbitando uma anã branca apresenta uma oportunidade promissora para determinar se a vida pode sobreviver à morte de sua estrela, de acordo com pesquisadores da Universidade Cornell.

Em um estudo publicado no Cartas de jornal astrofísico, eles mostram como o próximo telescópio espacial James Webb da NASA poderia encontrar assinaturas de vida em planetas semelhantes à Terra orbitando anãs brancas.

Um planeta orbitando uma pequena estrela produz fortes sinais atmosféricos quando passa na frente, ou "transita", sua estrela hospedeira. As anãs brancas levam isso ao extremo: elas são 100 vezes menores que nosso Sol, quase tão pequenas quanto a Terra, proporcionando aos astrônomos uma rara oportunidade de caracterizar planetas rochosos.

"Se houver planetas rochosos ao redor das anãs brancas, poderemos detectar sinais de vida neles nos próximos anos", disse a autora Lisa Kaltenegger, professora associada de astronomia na Faculdade de Artes e Ciências e diretora do Instituto Carl Sagan.

O co-autor Ryan MacDonald, pesquisador associado do instituto, disse que o Telescópio Espacial James Webb, com lançamento previsto para outubro de 2021, está em uma localização única para encontrar assinaturas de vida em exoplanetas rochosos.

"Ao observar planetas semelhantes à Terra orbitando anãs brancas, o Telescópio Espacial James Webb pode detectar água e dióxido de carbono em questão de horas", disse MacDonald. "Dois dias de observação com este poderoso telescópio permitiriam a descoberta de gases de bioassinatura, como ozônio e metano."

A descoberta do primeiro planeta gigante em trânsito orbitando uma anã branca (WD 1856 + 534b), anunciada em um artigo separado - liderado pelo coautor Andrew Vanderburg, professor assistente da Universidade de Wisconsin, Madison - prova a existência de planetas ao redor do branco anões. Kaltenegger também é co-autor deste artigo.

Este planeta é um gigante gasoso e, portanto, não é capaz de sustentar a vida. Mas sua existência sugere que planetas rochosos menores, que poderiam sustentar a vida, também poderiam existir nas zonas habitáveis ​​das anãs brancas.

"Nós sabemos agora que planetas gigantes podem existir ao redor das anãs brancas, e as evidências remontam a mais de 100 anos mostrando material rochoso poluindo a luz das anãs brancas. Certamente existem pequenas rochas em sistemas de anãs brancas", disse MacDonald. "É um salto lógico imaginar um planeta rochoso como a Terra orbitando uma anã branca."

Os pesquisadores combinaram técnicas de análise de última geração usadas rotineiramente para detectar gases em atmosferas de exoplanetas gigantes com o Telescópio Espacial Hubble com modelos de atmosferas de planetas anãs brancas de pesquisas anteriores de Cornell.

O Transiting Exoplanet Survey Satellite da NASA está agora procurando por esses planetas rochosos ao redor das anãs brancas. Se e quando um desses mundos for encontrado, Kaltenegger e sua equipe desenvolveram os modelos e ferramentas para identificar sinais de vida na atmosfera do planeta. O telescópio Webb pode em breve iniciar essa busca.

As implicações de encontrar assinaturas de vida em um planeta orbitando uma anã branca são profundas, disse Kaltenegger. A maioria das estrelas, incluindo nosso sol, um dia acabará como anãs brancas.

"E se a morte da estrela não for o fim da vida?" ela disse. "A vida poderia continuar, mesmo depois que nosso sol morresse? Sinais de vida em planetas orbitando anãs brancas não apenas mostrariam a incrível tenacidade da vida, mas talvez também um vislumbre de nosso futuro."


Telescópio Webb da NASA para estudar jovens exoplanetas na borda

Esquerda: Esta é uma imagem da estrela HR 8799 obtida pela Câmera de Infravermelho Próximo e Espectrômetro Multi-Objeto do Hubble (NICMOS) em 1998. Uma máscara dentro da câmera (coronógrafo) bloqueia a maior parte da luz da estrela. Os astrônomos também usaram software para subtrair digitalmente mais luz estelar. No entanto, a luz espalhada do HR 8799 domina a imagem, obscurecendo quatro planetas tênues descobertos posteriormente a partir de observações terrestres. À direita: Uma reanálise dos dados do NICMOS em 2011 revelou três dos exoplanetas, que não foram vistos nas imagens de 1998. Webb vai sondar a atmosfera dos planetas em comprimentos de onda infravermelhos que os astrônomos raramente usam para obter imagens de mundos distantes. Crédito: NASA, ESA e R. Soummer (STScI)

Antes dos planetas ao redor de outras estrelas serem descobertos na década de 1990, esses mundos exóticos distantes viviam apenas na imaginação dos escritores de ficção científica.

Mas mesmo suas mentes criativas não poderiam ter concebido a variedade de mundos que os astrônomos descobriram. Muitos desses mundos, chamados exoplanetas, são muito diferentes da família de planetas do nosso sistema solar. Eles variam de "Júpiteres quentes", que abraçam estrelas, a planetas rochosos de grandes dimensões apelidados de "super Terras". Nosso universo aparentemente é mais estranho que a ficção.

Ver esses mundos distantes não é fácil porque eles se perdem no brilho de suas estrelas hospedeiras. Tentar detectá-los é como se esforçar para ver um vaga-lume pairando ao lado do farol brilhante de um farol.

É por isso que os astrônomos identificaram a maioria dos mais de 4.000 exoplanetas encontrados até agora usando técnicas indiretas, como por meio da oscilação leve de uma estrela ou seu escurecimento inesperado quando um planeta passa em frente dela, bloqueando parte da luz estelar.

Essas técnicas funcionam melhor, no entanto, para planetas orbitando perto de suas estrelas, onde os astrônomos podem detectar mudanças ao longo de semanas ou mesmo dias conforme o planeta completa sua órbita da pista de corrida. Mas encontrar apenas planetas superpovoados não fornece aos astrônomos uma imagem abrangente de todos os mundos possíveis em sistemas estelares.

Este esquema mostra as posições dos quatro exoplanetas orbitando longe da estrela vizinha HR 8799. As órbitas parecem alongadas devido a uma ligeira inclinação do plano das órbitas em relação à nossa linha de visão. O tamanho do sistema planetário HR 8799 é comparável ao nosso sistema solar, conforme indicado pela órbita de Netuno, mostrada em escala. Crédito: NASA, ESA e R. Soummer (STScI)

Outra técnica que os pesquisadores usam na caça aos exoplanetas, que são planetas orbitando outras estrelas, é aquela que se concentra em planetas que estão mais distantes do brilho ofuscante de uma estrela. Os cientistas descobriram exoplanetas jovens que são tão quentes que brilham na luz infravermelha usando técnicas de imagem especializadas que bloqueiam o brilho da estrela. Desta forma, alguns exoplanetas podem ser vistos e estudados diretamente.

O futuro Telescópio Espacial James Webb da NASA ajudará os astrônomos a sondar mais longe nesta ousada nova fronteira. Webb, como alguns telescópios terrestres, é equipado com sistemas ópticos especiais chamados coronógrafos, que usam máscaras projetadas para bloquear a luz das estrelas tanto quanto possível para estudar exoplanetas tênues e para descobrir novos mundos.

Dois alvos no início da missão de Webb são os sistemas planetários 51 Eridani e HR 8799. Das poucas dezenas de planetas com imagens diretas, os astrônomos planejam usar Webb para analisar em detalhes os sistemas que estão mais próximos da Terra e têm planetas nas maiores separações de seus estrelas. Isso significa que eles aparecem longe o suficiente do brilho de uma estrela para serem observados diretamente. O sistema HR 8799 reside a 133 anos-luz e 51 Eridani a 96 anos-luz da Terra.

Alvos planetários de Webb

Dois programas de observação no início da missão de Webb combinam as capacidades espectroscópicas do Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) e a imagem da Câmera de Infravermelho Próximo (NIRCam) e do Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) para estudar os quatro planetas gigantes no sistema HR 8799. Em um terceiro programa, os pesquisadores usarão o NIRCam para analisar o planeta gigante em 51 Eridani.

Esta imagem da descoberta de um planeta extrasolar do tamanho de Júpiter orbitando a estrela próxima 51 Eridani foi tirada em luz infravermelha em 2014 pelo Gemini Planet Imager. A brilhante estrela central está escondida atrás de uma máscara no centro da imagem para permitir a detecção do exoplaneta, que é 1 milhão de vezes mais tênue do que 51 Eridani. O exoplaneta está na periferia do sistema planetário, a 11 bilhões de milhas de sua estrela. Webb vai sondar a atmosfera do planeta em comprimentos de onda infravermelhos que os astrônomos raramente usam para fazer imagens de mundos distantes. Crédito: International Gemini Observatory / NOIRLab / NSF / AURA, J. Rameau (Universidade de Montreal) e C. Marois (National Research Council of Canada Herzberg

Os quatro planetas gigantes do sistema HR 8799 têm, cada um, aproximadamente 10 massas de Júpiter. Eles orbitam a mais de 14 bilhões de milhas de uma estrela que é ligeiramente mais massiva que o sol. O planeta gigante em 51 Eridani tem o dobro da massa de Júpiter e orbita cerca de 11 bilhões de milhas de uma estrela parecida com o sol. Ambos os sistemas planetários têm órbitas voltadas para a Terra. Essa orientação dá aos astrônomos uma oportunidade única de obter uma visão aérea do topo dos sistemas, como olhar para os anéis concêntricos de um alvo de arco e flecha.

Muitos exoplanetas encontrados nas órbitas externas de suas estrelas são muito diferentes dos planetas do nosso sistema solar. A maioria dos exoplanetas descobertos nesta região externa, incluindo aqueles em HR 8799, têm entre cinco e 10 massas de Júpiter, o que os torna os planetas mais massivos já encontrados até hoje.

Esses exoplanetas externos são relativamente jovens, de dezenas de milhões a centenas de milhões de anos - muito mais jovens do que os 4,5 bilhões de anos do nosso sistema solar. Então eles ainda estão brilhando com o calor de sua formação. As imagens desses exoplanetas são essencialmente fotos de bebês, revelando planetas em sua juventude.

Webb vai sondar o infravermelho médio, uma faixa de comprimento de onda que os astrônomos raramente usaram antes para obter imagens de mundos distantes. Esta "janela" infravermelha é difícil de observar do solo por causa da emissão térmica e absorção na atmosfera da Terra.

"O ponto forte de Webb é a luz desinibida que atravessa o espaço na faixa do infravermelho médio", disse Klaus Hodapp, da Universidade do Havaí em Hilo, investigador principal das observações NIRSpec do sistema HR 8799. "A atmosfera da Terra é muito difícil de ser trabalhada. As principais moléculas de absorção em nossa própria atmosfera nos impedem de ver características interessantes nos planetas."

O infravermelho médio "é a região onde Webb realmente fará contribuições seminais para a compreensão de quais são as moléculas particulares, quais são as propriedades da atmosfera que esperamos encontrar e que realmente não obtemos apenas com o infravermelho próximo comprimentos de onda ", disse Charles Beichman, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, principal investigador das observações NIRCam e MIRI do sistema HR 8799. "Vamos construir sobre o que os observatórios terrestres fizeram, mas o objetivo é expandir isso de uma forma que seria impossível sem Webb."

Um dos principais objetivos dos pesquisadores em ambos os sistemas é usar Webb para ajudar a determinar como os exoplanetas se formaram. Eles foram criados por meio de um acúmulo de material no disco ao redor da estrela, enriquecido em elementos pesados ​​como o carbono, assim como provavelmente fez Júpiter? Ou será que se formaram a partir do colapso de uma nuvem de hidrogênio, como uma estrela, e se tornaram menores sob a atração implacável da gravidade?

A composição atmosférica pode fornecer pistas sobre o nascimento de um planeta. "Uma das coisas que gostaríamos de entender é a proporção dos elementos que entraram na formação desses planetas", disse Beichman. "Em particular, carbono versus oxigênio diz muito sobre de onde vem o gás que formou o planeta. Ele veio de um disco que agregou muitos dos elementos mais pesados ​​ou veio do meio interestelar? Então é isso que nós chamada de relação carbono-oxigênio, que é bastante indicativa dos mecanismos de formação. "

Para responder a essas perguntas, os pesquisadores usarão Webb para sondar mais profundamente a atmosfera dos exoplanetas. O NIRCam, por exemplo, medirá as impressões digitais atmosféricas de elementos como o metano. Ele também analisará as características das nuvens e as temperaturas desses planetas. "Já temos muitas informações nesses comprimentos de onda do infravermelho próximo de instalações terrestres", disse Marshall Perrin do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland, investigador principal das observações do NIRCam de 51 Eridani b. "Mas os dados de Webb serão muito mais precisos, muito mais sensíveis. Teremos um conjunto mais completo de comprimentos de onda, incluindo o preenchimento de lacunas onde você não pode obter esses comprimentos de onda do solo."

Os astrônomos também usarão Webb e sua excelente sensibilidade para caçar planetas menos massivos longe de sua estrela. "A partir de observações terrestres, sabemos que esses planetas massivos são relativamente raros", disse Perrin. "Mas também sabemos que, para as partes internas dos sistemas, planetas de massa inferior são dramaticamente mais comuns do que planetas de massa maior. Então a questão é: isso também é verdadeiro para essas separações posteriores?" Beichman acrescentou: "A operação de Webb no ambiente frio do espaço permite a busca por planetas menores e mais fracos, impossíveis de detectar do solo."

Outro objetivo é entender como a miríade de sistemas planetários descobertos até agora foi criada.

"Acho que o que estamos descobrindo é que existe uma enorme diversidade nos sistemas solares", disse Perrin. "Você tem sistemas em que tem esses planetas quentes de Júpiter em órbitas muito próximas. Tem sistemas em que não tem. Tem sistemas em que tem um planeta com 10 massas de Júpiter e outros em que não tem nada mais massivo do que várias Terras . Em última análise, queremos entender como a diversidade da formação do sistema planetário depende do ambiente da estrela, da massa da estrela, todos os tipos de outras coisas e, eventualmente, por meio desses estudos em nível de população, esperamos colocar nosso próprio sistema solar em contexto."

As observações espectroscópicas NIRSpec de HR 8799 e as observações NIRCam de 51 Eridani são parte dos programas de Observações de Tempo Garantido que serão conduzidos logo após o lançamento de Webb no final deste ano. As observações NIRCam e MIRI do HR 8799 são uma colaboração de duas equipes de instrumentos e também fazem parte do programa de Observações de Tempo Garantido.


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Antes dos planetas ao redor de outras estrelas serem descobertos na década de 1990, esses mundos exóticos distantes viviam apenas na imaginação dos escritores de ficção científica.

Mas mesmo suas mentes criativas não poderiam ter concebido a variedade de mundos que os astrônomos descobriram. Muitos desses mundos, chamados exoplanetas, são muito diferentes da família de planetas do nosso sistema solar. Eles variam de "Júpiteres quentes" que abraçam estrelas até planetas rochosos de grandes dimensões apelidados de "super Terras". Nosso universo aparentemente é mais estranho que a ficção.

Ver esses mundos distantes não é fácil porque eles se perdem no brilho de suas estrelas hospedeiras. Tentar detectá-los é como se esforçar para ver um vaga-lume pairando ao lado do farol brilhante de um farol.

É por isso que os astrônomos identificaram a maioria dos mais de 4.000 exoplanetas encontrados até agora usando técnicas indiretas, como através da leve oscilação de uma estrela ou seu escurecimento inesperado quando um planeta passa em frente dela, bloqueando parte da luz estelar.

Essas técnicas funcionam melhor, no entanto, para planetas orbitando perto de suas estrelas, onde os astrônomos podem detectar mudanças ao longo de semanas ou mesmo dias, conforme o planeta completa sua órbita da pista de corrida. Mas encontrar apenas planetas com superfície superficial não fornece aos astrônomos uma imagem abrangente de todos os mundos possíveis em sistemas estelares.

Outra técnica que os pesquisadores usam na caça aos exoplanetas, que são planetas orbitando outras estrelas, é aquela que se concentra em planetas que estão mais distantes do brilho ofuscante de uma estrela. Os cientistas, usando técnicas de imagem especializadas que bloqueiam o brilho da estrela, descobriram exoplanetas jovens que são tão quentes que brilham na luz infravermelha. Desta forma, alguns exoplanetas podem ser vistos e estudados diretamente.

O futuro Telescópio Espacial James Webb da NASA ajudará os astrônomos a sondar mais longe nesta ousada nova fronteira. Webb, como alguns telescópios terrestres, é equipado com sistemas ópticos especiais chamados coronógrafos, que usam máscaras projetadas para bloquear a luz das estrelas tanto quanto possível para estudar exoplanetas tênues e para descobrir novos mundos.

Dois alvos no início da missão de Webb são os sistemas planetários 51 Eridani e HR 8799. Das poucas dezenas de planetas com imagens diretas, os astrônomos planejam usar Webb para analisar em detalhes os sistemas que estão mais próximos da Terra e têm planetas nas maiores separações de seus estrelas. Isso significa que eles aparecem longe o suficiente do brilho de uma estrela para serem observados diretamente. O sistema HR 8799 reside a 133 anos-luz e 51 Eridani a 96 anos-luz da Terra.

Alvos planetários de Webb

Dois programas de observação no início da missão de Webb combinam as capacidades espectroscópicas do Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) e a imagem da Câmera de Infravermelho Próximo (NIRCam) e do Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) para estudar os quatro planetas gigantes no sistema HR 8799. Em um terceiro programa, os pesquisadores usarão o NIRCam para analisar o planeta gigante em 51 Eridani.

Os quatro planetas gigantes do sistema HR 8799 têm, cada um, aproximadamente 10 massas de Júpiter. Eles orbitam a mais de 14 bilhões de milhas de uma estrela que é ligeiramente mais massiva que o sol. O planeta gigante em 51 Eridani tem o dobro da massa de Júpiter e orbita cerca de 11 bilhões de milhas de uma estrela semelhante ao Sol. Ambos os sistemas planetários têm órbitas voltadas para a Terra. Essa orientação dá aos astrônomos uma oportunidade única de obter uma visão panorâmica dos sistemas, como observar os anéis concêntricos de um alvo de arco e flecha.

Muitos exoplanetas encontrados nas órbitas externas de suas estrelas são muito diferentes dos planetas do nosso sistema solar. A maioria dos exoplanetas descobertos nesta região externa, incluindo aqueles em HR 8799, têm entre 5 e 10 massas de Júpiter, o que os torna os planetas mais massivos já encontrados até hoje.

These outer exoplanets are relatively young, from tens of millions to hundreds of millions of years old—much younger than our solar system’s 4.5 billion years. So they’re still glowing with heat from their formation. The images of these exoplanets are essentially baby pictures, revealing planets in their youth.

Webb will probe into the mid-infrared, a wavelength range astronomers have rarely used before to image distant worlds. This infrared “window” is difficult to observe from the ground because of thermal emission from—and absorption in—Earth’s atmosphere.

“Webb’s strong point is the uninhibited light coming through space in the mid-infrared range,” said Klaus Hodapp of the University of Hawaii in Hilo, lead investigator of the NIRSpec observations of the HR 8799 system. “Earth’s atmosphere is pretty difficult to work through. The major absorption molecules in our own atmosphere prevent us from seeing interesting features in planets.”

The mid-infrared “is the region where Webb really will make seminal contributions to understanding what are the particular molecules, what are the properties of the atmosphere that we hope to find which we don’t really get just from the shorter, near-infrared wavelengths,” said Charles Beichman of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, lead investigator of the NIRCam and MIRI observations of the HR 8799 system. “We’ll build on what the ground-based observatories have done, but the goal is to expand on that in a way that would be impossible without Webb.”

How Do Planets Form?

One of the researchers’ main goals in both systems is to use Webb to help determine how the exoplanets formed. Were they created through a buildup of material in the disk surrounding the star, enriched in heavy elements such as carbon, just as Jupiter probably did? Or, did they form from the collapse of a hydrogen cloud, like a star, and become smaller under the relentless pull of gravity?

Atmospheric makeup can provide clues to a planet’s birth. “One of the things we’d like to understand is the ratio of the elements that have gone into the formation of these planets,” Beichman said. “In particular, carbon versus oxygen tells you quite a lot about where the gas that formed the planet comes from. Did it come from a disk that accreted a lot of the heavier elements or did it come from the interstellar medium? So it’s what we call the carbon-to-oxygen ratio that is quite indicative of formation mechanisms.”

To answer these questions, the researchers will use Webb to probe deeper into the exoplanets’ atmospheres. NIRCam, for example, will measure the atmospheric fingerprints of elements like methane. It also will look at cloud features and the temperatures of these planets. “We already have a lot of information at these near-infrared wavelengths from ground-based facilities,” said Marshall Perrin of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, lead investigator of NIRCam observations of 51 Eridani b. “But the data from Webb will be much more precise, much more sensitive. We’ll have a more complete set of wavelengths, including filling in gaps where you can’t get those wavelengths from the ground.”

The astronomers will also use Webb and its superb sensitivity to hunt for less-massive planets far from their star. “From ground-based observations, we know that these massive planets are relatively rare,” Perrin said. “But we also know that for the inner parts of systems, lower-mass planets are dramatically more common than larger-mass planets. So the question is, does it also hold true for these further separations out?” Beichman added, “Webb’s operation in the cold environment of space allows a search for fainter, smaller planets, impossible to detect from the ground.”

Another goal is understanding how the myriad planetary systems discovered so far were created.

“I think what we are finding is that there is a huge diversity in solar systems,” Perrin said. “You have systems where you have these hot Jupiter planets in very close orbits. You have systems where you don’t. You have systems where you have a 10-Jupiter-mass planet and ones in which you have nothing more massive than several Earths. We ultimately want to understand how the diversity of planetary system formation depends on the environment of the star, the mass of the star, all sorts of other things and eventually through these population-level studies, we hope to place our own solar system in context.”

The NIRSpec spectroscopic observations of HR 8799 and the NIRCam observations of 51 Eridani are part of the Guaranteed Time Observations programs that will be conducted shortly after Webb’s launch later this year. The NIRCam and MIRI observations of HR 8799 is a collaboration of two instrument teams and is also part of the Guaranteed Time Observations program.

The James Webb Space Telescope will be the world's premier space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

Donna Weaver
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland


James Webb Will Look for Signs of Life on Planets Orbiting Dead Stars

Can the galaxy’s dead stars help us in our search for life? A group of researchers from Cornell University thinks so. They say that watching exoplanets transit in front of white dwarfs can tell us a lot about those planets.

It might even reveal signs of life.

A new study presents this idea in The Astrophysical Journal Letters. The research is titled “The White Dwarf Opportunity: Robust Detections of Molecules in Earth-like Exoplanet Atmospheres with the James Webb Space Telescope.” The lead and corresponding author is Lisa Kaltenegger, associate professor of astronomy in the College of Arts and Sciences at Cornell. Kaltenegger is also the director of the Carl Sagan Institute.

“If rocky planets exist around white dwarfs, we could spot signs of life on them in the next few years,” said Kaltenegger in a press release.

One of the goals of the James Webb Space Telescope (JWST) is to characterize exoplanet atmospheres using spectroscopy. The JWST has the power to do that with very distant planets. While other facilities can do spectroscopy, the JWST has the added benefit of doing it in the infrared. In infrared light, molecules in a planet’s atmosphere have the largest number of features in their spectra, making them easier to identify.

“What if the death of the star is not the end for life?”

Lisa Kaltenegger, Lead Author, Professor, Cornell University

But this study takes the JWST and its atmosphere-observing powers in a different direction. While exoplanet research and the search for life normally focuses on planets transiting small M-dwarfs, the authors say there might be a better way. They point out that finding white dwarfs with planets transiting in front of them is a way to advance the search for life. That’s partly because detecting potential biosignatures would be easier.

The James Webb Space Telescope, with its iconic segmented mirror, sits inside a cleanroom at NASA’s Johnson Space Center in Houston. This newest study is just one more reson we can’t wait for this telescope to get to work. Credit: NASA/JSC

Detecting biosignatures around M-dwarfs is challenging. The powerful light output from the large stars makes it harder to see what’s going on in their vicinity. And M-dwars are known for the high level of sunspot and flaring activity. All that activity could impair spectroscopic searches for biomarkers. In their paper, the authors explain that “Earth-like planets around cool small M dwarfs, such as TRAPPIST-1, are promising targets for characterization with the upcoming Extremely Large Telescopes (ELTs) and JWST. However, there remain outstanding challenges in interpreting transmission spectra of M-dwarf terrestrial planets, notably contamination from unocculted starspots.”

But white dwarfs are different. They’ve run out of nuclear fuel and have shrank down to only a remnant core. They still provide enough light for spectroscopic investigation of their exoplanet atmospheres, but they don’t overwhelm the signal with their own luminosity. And since they’re no longer actively burning nuclear fuel, solitary white dwarfs don’t flare, so they don’t impair spectroscopic results. (They can flare if they’re in a binary relationship).

The authors say that by focusing on white dwarfs, the JWST should be able to identify water and carbon dioxide—both substances correlated with living processes—in as little as a couple of hours.

“When observing Earth-like planets orbiting white dwarfs, the James Webb Space Telescope can detect water and carbon dioxide within a matter of hours,” MacDonald said. “Two days of observing time with this powerful telescope would allow the discovery of biosignature gases, such as ozone and methane.”

This figure from the study shows simulated JWST detections of biomarkers in the atmosphere of an Earth-like planet orbiting a white dwarf. Image Credit: Kaltenegger et al, 2020.

A few discoveries led to this potential new method of searching for signs of life.

White dwarfs go through a lot of changes as they leave the main sequence. Their progenitor star sheds its outer layers in a series of violent convulsions that should spell doom for any planets orbiting them. In its red giant phase, the star expands to envelop any planetary bodies that are too close. This will happen to our own Sun in several billion years. The Sun will envelop and destroy Mercury, Venus, maybe even Earth.

But sometimes planets might survive the process.

After several billions years, yellow suns (like ours) become Red Giants, expanding to several hundred times their normal size. Then they’ll eventually become white dwarfs. Credit: Wendy Kenigsburg

The authors explain in their paper that “The origin and survival of close-in planets orbiting WDs have seen active theoretical study. Once a main-sequence star evolves into a WD, stable planetary systems can undergo violent dynamical instabilities, exciting planets into high-eccentricity, low-pericenter orbits. These orbits can rapidly circularize due to tidal dissipation, leading in some circumstances to the survival of planets in close-in orbits.”

When astronomers discovered planets orbiting a white dwarf, things went from theoretical to practical a very significant development.

At first, astronomers studying white dwarfs saw evidence of rocky debris near the dead stars. The debris was orbiting in debris disks, or even closer to the star, or right in the star’s atmosphere. Scientists interpreted that as evidence of planets destroyed as the star became a white dwarf.

Artist impression of a disk of material around a white dwarf star. Image credit: Gemini Observatory

In September 2019, astronomers discovered a giant planet candidate orbiting a white dwarf. This was evidence that large planets can survive their star’s transition to white dwarf. They may survive via migration. And around the same time, in November 2019, scientists discovered a planet that’s orbiting a red giant, having survived that star’s transition to its red giant phase.

Astronomers have found a white dwarf star which appears to be surrounded by a truncated disc of gas. The disc was probably created from a gas planet being torn apart by its gravity. Image Credit: NASA

In December 2019, a team of astronomers discovered a Neptune-sized planet orbiting a white dwarf much smaller than itself. They couldn’t see the planet itself, just the atmosphere of the planet as the white dwarf stripped it away. The planet was likely doomed, but it proved that white dwarfs can still host exoplanets. And though this one was a gas giant, and unlikely to host any life, it shows that rocky planets may survive around white dwarfs, too.

That’s where this work comes in.

“We know now that giant planets can exist around white dwarfs, and evidence stretches back over 100 years showing rocky material polluting light from white dwarfs. There are certainly small rocks in white dwarf systems,” MacDonald said. “It’s a logical leap to imagine a rocky planet like the Earth orbiting a white dwarf.”

Artist’s rendition of a white dwarf from the surface of an orbiting exoplanet. Image Credit: Madden/Cornell University

NASA’s TESS spacecraft is the premiere planet-hunting spacecraft of the day. Part of its search involves hunting for rocky planets around white dwarfs. White dwarfs are small, and their planets should have short transition times, just like WD 1856+534, the giant planet candidate found in September 2019. That one took only about two minutes to transit, and planets with shorter transit times are more likely to be spotted.

Usually, an exoplanet is dwarfed by its star, and all that light blinds us to the sight of the planet. But with white dwarfs, that’s not the case. The authors explain in their paper that “Transiting planets orbiting smaller stars are generally easier to characterize, due to their increased planet-to-star size ratio.” The rapid repetition of transits makes it easier to identify biomarkers spectroscopically.

As the authors write in their paper, “Rocky planets in the WD habitable zone therefore represent a promising opportunity to characterize terrestrial planet atmospheres and explore the possibility of a second genesis on these worlds.”

If, or when, TESS finds rocky planets orbiting a white dwarf, Kaltenegger and her colleagues will be ready. They took established Hubble Space Telescope methods of identifying gases in exoplanet atmospheres and have combined them with modelled atmospheres of white dwarf planets from other research. So once the JWST is operational, the groundwork for understanding exoplanet atmospheres spectroscopically is already in place.

An artists’s illustration of TESS, the Transiting Exoplanet Survey Satellite. Image Credit: NASA

What if we did find life on a planet orbiting a white dwarf? The implications are stunning. Since most stars in the Milky Way, including our own, will end their lives as white dwarfs, the proposition is astounding. In fact, astrophysicists think that over 97% of the stars in our galaxy will become white dwarfs. Could life have survived on planets that survived their stars’ transition? Or, even more exciting, could life have re-emerged?

“What if the death of the star is not the end for life?” she said. “Could life go on, even once our sun has died? Signs of life on planets orbiting white dwarfs would not only show the incredible tenacity of life, but perhaps also a glimpse into our future.”


CSI: Aliens--Astronomers Prep to Detect Cryptic Exoplanet Biosignals

Carl Sagan described Earth as viewed from space as a pale blue dot, and our first direct images of light-years distant planets will be just as minuscule. When new mega-telescopes capture their first pictures of exoplanets, we will at best see half pixels of grayish blur. Even so, investigators eager to learn whether any exoplanets harbor life might be able to find hints in those first fuzzy images. First, however, they will need to know what biosignatures would look like in data coming from worlds very different from our own.

Many teams are now focusing on finding answers. The latest entrant is Cornell&rsquos Institute for Pale Blue Dots, officially launching on May 9 (and also just renamed the Carl Sagan Institute). The institute has been working to create a database of "fingerprints" for life that could be discerned in the light reaching telescopes from exoplanets.

That is because much of the early information about distant planets will come in the form of an electromagnetic spectrum: the wavelengths a planet radiates, either directly or via light from its star shining through its atmosphere. This spectrum can reveal the chemicals in the exoplanet&rsquos atmosphere and, sometimes, on its surface. Earth, for example, would look green from all the photosynthesizing plants (plus blue from water, with a hint of pearly clouds) and would offer other signs of life as well. Our spectrum would reveal the presence of water vapor&mdasha strong hint that the planet is amenable to life&mdashas well as abundant oxygen and methane. That latter combination over time would indicate oxygen was being renewed somehow, because methane degrades oxygen and yet the oxygen does not disappear. Such a process would be an indication of life, which is one of the most likely sources of renewed oxygen in large quantities. Similar signatures on other planets&mdashindicative of oxygen, methane, water and maybe even the green of photosynthesizing plants&mdashwould suggest they were amenable to carbon-based life like that found on Earth.

Of course, an exoplanet's spectrum could be very different from our own, making signs of life harder to parse. If the atmosphere is full of hydrocarbons, like the surface of Saturn&rsquos largest moon Titan, it would be hard to make out anything closer to the surface through the haze. Similarly, dense cloud cover, like on Venus, would reflect light back and obscure the other gases below. Or vigorous geologic activity venting gas might obscure smaller amounts of other gases being created. And so researchers are simulating what a planet&rsquos spectrum would look like in such cases&mdashand many other scenarios, from a dust-covered dune world to one covered with water or circling a very dim star. &ldquoIn a way, it&rsquos a CSI for exoplanets,&rdquo Lisa Kaltenegger, an astronomer and head of the new institute, says about the burgeoning database of those simulations. Much like forensic investigators identify who committed a crime from signs like fingerprints and DNA, exoplanet researchers will be able to compare that database of spectra with real measurements from planets, working backward to see what kind of body generates that spectrum. Kaltenegger notes that she does not want to miss signs of life just because they occur on a planet bigger, smaller, hotter, colder, younger or older than Earth and the other planets in our solar system.

The most intricate atmospheric simulations available were built for Earth and incorporate details specific to its atmosphere and geography. Although they are good for weather forecasting and precise analysis researchers don&rsquot have enough details about other planets to build something so complicated for them. Instead, Kaltenegger&rsquos group is focusing on simpler, &ldquoone-dimensional&rdquo simulations that model the whole climate and atmosphere uniformly, as if you only had one glimpse of the whole thing. A one-dimensional model can incorporate and explore the effect of all the different types of gases, planetary structures, types of stars and life you could imagine, but treats a planet&rsquos atmosphere as one uniform mixture it is not tracking clouds moving over the surface but rather averaging all the water vapor in the air at once. And it is well suited to help astronomers understand the very first planetary images they will see, which will be a single point anyway.

As telescopes become more sophisticated, astronomers will gather more detailed information about an exoplanet&rsquos properties than can be gleaned from the best instruments we have now or are currently building. Telescopes that can image the planet directly, with reflected light from its star, will fill in missing details about rotation, geography and seasons. Such information can help to reveal what features life would need to survive on a given world. A tidally locked world, with one side always facing its sun, for instance, would have very different conditions than its averaged environment might suggest&mdashbitterly cold on one side and fiercely hot on the other&mdashand be hospitable to different types of organisms than those that might be found on a uniformly temperate planet.

And simulation, as it gets more detailed, can reveal the unexpected: When Dimitar Sasselov, an astronomer at Harvard&ndashSmithsonian Center for Astrophysics, helped model a planet covered entirely in water, he discovered a totally unknown form of &ldquowarm ice&rdquo at the bottom of that vast ocean where the pressure pushes the water at the ocean floor into a dense solid form, and waves might move continuously across the surface, never breaking. This scenario allows scientists to consider what features life would need to arise and persist under those conditions, even biology alien to anything we know now.

Simulation can also unmask signatures that seem to represent life but could be created by nonbiological processes. Victoria Meadows, principal investigator at the University of Washington's Virtual Planet Laboratory, says that trying to predict the signatures that might fool them has led to many of her group&rsquos discoveries. For instance, the lab recently released a paper on four separate ways oxygen could be generated without life being involved. Knowing those, they can work out measurements that telescopes will have to take to discount those alternate causes. They can also pinpoint which spectral fingerprints would be most telling of potential life.

These simulation tools are only the first step: to identify what form life might take and what signatures those forms might provide, astronomers are partnering across disciplines and taking unfamiliar excursions into the biology lab. For instance, Kaltenegger&rsquos group has studied the spectra of 137 microorganisms, including extremophiles that thrive in Earth's most inhospitable environs. This color catalogue provides the data that advanced telescopes would see if a planet's dominant organisms were suited for very different environments so we might recognize them from afar. Sasselov&rsquos Origins of Life Initiative brings people from all disciplines to run experiments exploring the ingredients needed to create life and the steps by which it forms. In essence, they are asking: If we looked at the early Earth through a telescope, how would we recognize the life on it? They are also pondering how&mdashand what&mdashcompletely different life-forms might arise. &ldquoThere&rsquos going to be a lot of things we haven&rsquot considered but we&rsquore trying to come up with as diverse and fascinating a world as we can,&rdquo Kaltenegger says, &ldquoto make the parameter space large, to not miss signatures if we can help it.&rdquo

The Kepler space telescope revealed just how common exoplanets are by spotting the slight dimming of starlight they cause when transiting, or passing in front, of their stars. TESS, a similar mission to look for planets closer to home, will identify options bright enough to examine in more detail. When future tools, such as the James Webb Space Telescope, coming in 2018, turn their sights to exoplanets, they&rsquoll have only a limited chance to gather the details of planetary atmospheres as their stars shine through them. Future telescopes will be able to see a dot of actual surface color. By then, however, exoplanet researchers plan to be ready. They are building a vast picture of what life can be, how it might manifest itself and how to verify that it is real&mdashto know just what to look for in that tiny smudge of color.

&ldquoWe&rsquore in a world in which familiar is not necessarily what we see out there,&rdquo Sasselov says. &ldquoThat&rsquos the big problem as well as the big opportunity.&rdquo


Astronomers will probe exoplanets with Webb telescope

This month marks the third anniversary of the discovery of a remarkable system of seven planets known as TRAPPIST-1. These rocky, Earth-size worlds orbit an ultra-cool star 39 light-years from Earth 1 light-year is approximately 5.88 trillion miles.

Three of the planets are in the “habitable zone,” meaning they are at the right orbital distance to be warm enough for liquid water to exist on their surfaces. NASA’s James Webb Space Telescope will observe those worlds after its launch in 2021, with the goal of making the first detailed, near-infrared study of the atmosphere of a habitable-zone planet.

Numerous Cornell astronomy faculty will contribute to the mission. Nikole Lewis, assistant professor of astronomy and the deputy director of the Carl Sagan Institute, is the principal investigator for one of the teams investigating the TRAPPIST-1 system.

“It’s a coordinated effort because no one team could do everything we wanted to do with the TRAPPIST-1 system,” Lewis said. “The level of cooperation has been really spectacular.”

Lewis’ team will observe one of the planets, TRAPPIST-1e, in an effort to not only detect an atmosphere, but also to determine its basic composition. They expect to be able to distinguish between an atmosphere dominated by water vapor and one composed mainly of nitrogen (like Earth) or carbon dioxide (like Mars and Venus).

TRAPPIST-1e is one of the known exoplanets having the most in common with Earth its density and the amount of radiation that it receives from its star make it a great candidate for habitability. Lewis will also lead 130 hours of guaranteed time observations focused on the detailed study of exoplanet atmospheres with Webb.

Ray Jayawardhana, the Harold Tanner Dean of Arts and Sciences and professor of astronomy, and Lisa Kaltenegger, associate professor of astronomy and director of the Carl Sagan Institute, are part of a team that will dedicate 200 hours of time on the Webb telescope to characterize exoplanets, including Trappist-1d (a hot, rocky, Venus-like planet) and Trappist-1f (a cooler, Earth-size planet).

“We look forward to ‘remote sensing’ a remarkable diversity of exoplanet atmospheres, ranging from temperate terrestrial worlds in the TRAPPIST-1 system to blazing gas giants orbiting very close to their stars,” Jayawardhana said. “The Webb telescope will give us unprecedented views, especially of the smaller planets that are tougher to probe.”

Added Kaltenegger: “The combination of the data from the three TRAPPIST planets will give us unprecedented insight into how rocky planets evolve at different distances from their host star. It is the best laboratory that we could have asked for, to get insights into how extrasolar rocky planets work.”

Jonathan Lunine, David C. Duncan Professor in the Physical Sciences and chair of astronomy, is the interdisciplinary scientist for astrobiology on the Webb mission and serves on the Science Working Group, which defines the mission’s science requirements and provides scientific oversight of the project. His hours on the telescope will be mostly used to look at “hot Jupiters” – gas giant planets that are very close to their stars – and Kuiper Belt objects.

James Lloyd, professor of astronomy, developed the Aperture Masking Interferometry mode of the telescope’s Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) instrument, which will be used to image planetary systems and their environments.

The Webb telescope will be the world’s premier space science observatory, able to solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the enigmatic structures and origins of our universe. Webb is an international program led by NASA, with partners the European Space Agency and the Canadian Space Agency.


Of light and life

Scanning this light for atmospheric molecules could reveal all kinds of secrets about the planets in the TRAPPIST-1 system, including possibly the building blocks of life.

"By spreading out that light like a rainbow, we can look for signatures of molecules and atoms in the atmosphere, including oxygen, methane and water vapor, all potential signatures of life," says Burgasser. "JWST can also be used to measure the reflection of starlight off of the planets when they pass behind the star. This is called a 'secondary eclipse.' This would potentially allow us to study the surfaces of the planets."

Once assembled, the James Webb Space Telescope will span the size of a tennis court

While it will be a big player in exoplanet research in the coming decades, the JWST is just one of a number of tools scientists will use to search these worlds for signs of life. The Giant Magellan Telescope, for example, will feature an aperture 15 times that of JWST and will start scanning the night sky from Chile's Atacama Desert sometime in the mid-2020s. With these, plus other larger telescopes and yet-to-be developed technologies entering the fray, how much will we learn about the TRAPPIST-1 system without ever actually going there?

"Quite a lot," says Burgasser. "In addition to the atmosphere and surface measurements, we have some earlier measurements of mass, but with higher precision instruments and larger telescopes, we could improve those measurements and get a firm measure of the planets' average density, which in turn would tell us if they are mostly rocky, like Earth, or a mixture of rock and ice, like Jupiter's moon Ganymede. There is a chance one or more of these planets have moons, which may show up in more detailed transit measurements."

And as Burgasser explains, the things discovered in the TRAPPIST-1 system might be just as vital in answering key questions as the things that are not.

"We are also looking for evidence that the planets may be losing their atmospheres due to magnetic winds coming from the star, an important consideration to determine whether water is retained on their surfaces," he says. "And of course the big question is life itself, did it arise on any of these planets? Are they even hospitable to life? All of the measurements above are important ingredients to answering these truly big questions."

The video below (provided by the European Southern Observatory) offers a few early and interesting facts about these newly discovered worlds.